Телемеханика. Телемеханика_4. Конспект лекций для студентов специальности 153 01 07 Информационные технологии и управление в технических системах
 Скачать 1.58 Mb.
|
|
1.4.5. Выбор поднесущих частот. Исходя из перекрестных помех, необ- ходимо при выборе поднесущих соблюдать одно лишь требование: соседние частоты должны быть выбраны так, чтобы они и их гармоники подавлялись канальным фильтром до уровня, меньшего порога срабатывания канальной ап- паратуры. При этом первая поднесущая определяется выражением (1.72), а по- лосы канальных фильтров – максимальной составляющей модулирующей функции и видом первичной модуляции. 1.5. Цифровые телеметрические системы Принцип действия цифровой телеметрической системы сводится к следу- ющему. Вся информация с датчиков, имеющая аналоговый вид, преобразуется в цифровую форму аналого-цифровым преобразователем (АЦП) (в случае ис- пользования цифровых датчиков такой преобразователь не нужен). Затем формируется полный цифровой телеметрический сигнал, который обеспечи- вает высокую помехоустойчивость и эффективность. Выход приемного устройства телеметрической системы подключается к системе обработки ин- формации, представляющую собой ЭВМ. Таким образом, последовательная цифровая передача и обработка информации приводит к телеметрической си- стеме, обладающей такими ценными свойствами, как хорошее качество, большая скорость передачи-приема сообщений, высокая степень автоматиза- ции (в особенности процессов обработки), надежность, гибкость и т.д. Учи- тывая все это, понятен тот интерес, который проявляется в настоящее время к цифровым системам ТИ. 1.5.1. Структурная электрическая схема. На рис. 1.33 представлена структурная схема КП, а на рис. 1.35 – временная диаграмма его работы. Всей работой управляет генератор тактовых импульсов (ГТИ), частота импульсов которого выбирается в зависимости от скорости преобразования в АЦП, скоро- сти передачи информации по каналу связи и числа каналов. Преобразователь параллельного кода в последовательный подсчитывает такты и определяет гра- ницы подциклов. Под подциклом понимается время, отведенное для передачи информации по одному информационному каналу. Распределитель каналов подсчитывает подциклы и определяет границы циклов (диаграмма 3). Таким образом, в каждый момент времени открыт только один ключ коммутатора и 59 аналоговое сообщение от соответствующего датчика поступает на вход АЦП, где, как правило, преобразуется в двоичный код (цифровой эквивалент). Неиз- быточная кодовая комбинация поступает в устройство защиты от ошибок (УЗО), где кодируется в одном из помехозащищенных кодов и через сумматор поступает на вход группового модулятора. Учитывая, что в цифровых телемет- рических системах предъявляются более жесткие требования к синхронизации, чем в системах с ВРК, а это связано с тем, что каждому отсчету соответствуют n разрядов, в системе предусмотрено устройство формирования синхросигна- лов. В качестве синхросигналов применяется специальная кодовая комбинация. Частота следования слов (т.е. частота коммутации сообщений) и двоичных разрядов отличаются в n раз, где n=k+r – разрядность слова. Поэтому слова на выходе УЗО следуют друг за другом плотно, без временных пауз (диаграм- ма 8). Операция формирования полного телеметрического сигнала заканчивает- ся в сумматоре. Таким образом, полный сигнал кодо-импульсно-модулирован- ный (КИМ) – это последовательность единиц и нулей, несущих информацию о результатах отдельных измерений и различную вспомогательную информа- цию. Разметка телеметрического цикла (кадра) в цифровой форме на выходе сумматора представлена на диаграмме 9 рис. 1.35. С выхода сумматора КИМ сигнал поступает на модулятор передатчика. Вообще говоря, в цифровой системе может быть применен любой вид манипу- ляции несущей – АМП, ЧМП или ФМП, но с точки зрения повышения помехо- устойчивости наиболее предпочтительны ФМП (ОФМП), затем ЧМП. Таким образом, высокочастотный сигнал цифровой телеметрической системы имеет двойную модуляцию КИМ-ЧМП или КИМ-ФМП (ОФМП). В случае примене- ния радиолиний может потребоваться тройная модуляция (например, КИМ- ЧМП-ФМ), которая позволяет сформировать спектр высокочастотного теле- метрического сигнала таким образом, чтобы облегчить выделение несущей в приемном устройстве для синхронного детектирования. Структурная схема ПУ приведена на рис. 1.34. Сигнал КИМ с приемника, где проведено детектирование несущей частоты, фильтрация и усиление сиг- нала, поступает в устройство демодуляции КИМ. Поскольку двоичный сигнал искажен помехой, перед обработкой он проходит через восстановитель, кото- рый отфильтровывает помеху и генерирует импульсы стандартной формы. Восстановитель представляет собой управляемый интегратор, который накапливает (рис. 1.36) выходное напряжение с детектора приемника в течение одной двоичной единицы. Если в течение этого времени напряжение на инте- граторе превысило некоторый порог, считается, что была принята «1», в про- тивном случае считается «0». В первом случае восстановитель выдает стан- дартный импульс. В конце интервала интегрирования происходит сброс напряжения интегратора. В линию связи Из линии связи 1 2 3 7 1 8 6 9 5 1 4 1 Коммутатор И А К К регистрам других каналов к ЭВМ Рис. 1.33. Структурная схема КП цифровой телеметрической системы Рис. 1.34. Структурная схема ПУ цифровой телеметрической системы Датчик 1 Ключ 1 Моду- лятор Преобразова- тель парал- лельного кода в последова- тельный Сум- матор Устрой- ство защи- ты от ошибок Восстано- витель сиг- нала Устройство формирова- ния синхро- Генератор несу- щей частоты Регистр Регистрирую- щее устройство Масштаби- рующее устройство Демоду- лятор Распредели- тель каналов Сум- матор Цифро- аналоговый преобразова- тель Датчик n Ключ n Линей- ный блок Узел тактовой синхронизации Узел тактовой синхронизации Линей- ный блок Генератор такто- вых импульсов Преобразователь по- следовательного ко- да в параллельный Распределитель каналов Устройство защи- ты от ошибок Регистр Регистрирую- щее устройство Преобразо- ватель код- код Аналого- цифровой преобразова- тель 57 Генератор такто- вых импульсов 61 t 1 2 3 Подцикл 4 5 6 7 t 8 9 Цикл (кадр) τ И Синхроканал С И Н T K разрядов K разрядов r разрядов r разрядов 1-й инф. канал 2-й инф. канал С И Н Х Р О К О Д С И Н Х Р О К О Д С И Н n разрядов n разрядов n разрядов t t t t t t t Рис. 1.35. Временные диаграммы работы КП t такта τ П 62 t t t t 1 1 1 1 0 0 1 0 0 1 1 1 КИМ сигнал с помехой На выходе интегратора На выходе порогового устройства На выходе восстановителя Порог Рис. 1.36. Временные диаграммы работы восстановителя сигнала Работа приемной части управляется двумя типами синхронизирующих устройств: узлом тактовой синхронизации (УТС) и узлом цикловой синхрони- зации (УЦС). Для подстройки частоты и фазы местного генератора тактовых импульсов может быть использована инерционная система ФАП или система дискретной подстройки. Импульсы синхронизации кодовых слов и циклов по- лучаются в устройстве цикловой синхронизации. Информационные символы принимаются преобразователем последова- тельного кода в параллельный, который выполняет ответные функции анало- гичному преобразователю КП и записывает их в запоминающее устройство. Перед регистрацией производится коррекция ошибок. В УЗО имеются схемы, анализирующие принятые кодовые комбинации, и при необходимости произ- водится их исправление в запоминающем устройстве и выдается разрешение на шину К. Адрес канала выдает распределитель каналов путем подачи сигнала на шину А. Исправленная кодовая комбинация поступает на шину И. Шины А, К и И многоразрядные. С этих шин информация в случае необходимости по- ступает в ЭВМ и на индивидуальные регистрирующие устройства, которые могут быть как аналоговыми, так и цифровыми. При аналоговом воспроизве- дении полезных сообщений информация из канальных регистров поступает на входы цифроаналоговых преобразователей (ЦАП), где преобразуется с необхо- димым коэффициентом в аналоговую величину и поступает на вход регистри- рующих устройств. При цифровой регистрации цифровые эквиваленты снимаются с шины И, поступая затем на вход масштабирующих устройств, где происходит их умно- U(t) U(t) U(t) U(t) 63 t Синхрокод 1-й канал N-й канал t ск t к T t n си · t Т τ и t T n и · t Т k·t Т r·t Т τ п жение на соответствующие коэффициенты с целью вывода информации в аб- солютных единицах. Масштабирующее устройство является общим для всех каналов. Промасштабированные цифровые эквиваленты записываются в ка- нальные регистры, а затем через преобразователь код – код поступают на циф- ровые регистраторы. Преобразователь код – код производит преобразование цифрового эквивалента в рабочий код регистрирующего устройства. 1.5.2. Структура сигналов в цифровой телеметрической системе с цик- лической передачей кодовых сообщений состоит из времени передачи синхро- кода ск t и времени передачи измерительного эквивалента к t (рис. 1.37). Рис. 1.37. Временная структура канальных сигналов в телеметрической системе с циклическим опросом датчиков Сумма к ск t N t × + образует период опроса одного датчика max ) 10 5 ( 1 F T = . Принимая к ск t t = , получим, что к t N T × + = ) 1 ( , где N – число информационных каналов. Таким образом, ) 1 ( ) 10 5 ( 1 1 max + × = + = N F N T t к (1.74) Время передачи бита (длительность такта) при длине кодовой комбинации r k n и + = будет r k t n t t к и к Т + = = , 64 где k – число информационных символов, определяемых из выражения для приведенной погрешности 1 2 50 % - = d k прив ; (1.75) r – число контрольных символов. Зная Т t , определим частоту генератора тактовых импульсов. и к и Т ГТИ n N F t n t f ) 1 ( ) 10 5 ( 1 max + × = = = (1.76) 1.5.3. Адресные телеметрические системы. В настоящее время к теле- метрическим системам предъявляются повышенные требования к информа- тивности и информационной гибкости. Так, например, телеметрические систе- мы должны обеспечивать измерение нескольких сотен параметров с различны- ми значениями максимальной частоты их спектра (от долей герца до несколь- ких десятков килогерц). Такие требования исключают применение телеметри- ческих систем ЧРК и ограничивают использование систем с ВРК. Поэтому по- лучили распространение цифровые телеметрические системы с кодовым разде- лением каналов (адресные системы ТИ). При кодовом разделении каналов для передачи информации по каждому каналу отводится временной интервал, ана- логичный, как и в цифровой телеметрической системе, с циклическим опросом датчиков, структурная схема КП которой приведена на рис. 1.33, но сигнал каждого канала состоит из двух частей: адресной и информационной. Адресная часть сигнала содержит информацию о номере канала и предшествует инфор- мационной. Ввиду того, что каждое измерение снабжено адресом, сигналы раз- личных каналов могут передаваться в любом порядке, который можно изме- нить в процессе передачи; последнее очень важно для увеличения информаци- онной гибкости системы, использования устройств, уменьшения избыточности и т.д. На рис. 1.38 приведена структурная схема КП телеметрической системы с кодовым разделением каналов. В устройстве памяти адресов заложена программа опроса каналов. Эта программа записывается в устройство памяти адресов перед работой и может изменяться в процессе работы. Импульсы управления, поступающие с устрой- ства управления, считывают адреса номеров каналов и подают их в коммутатор и формирователь кадра. В коммутаторе производится опрос того канала, адрес которого поступил с устройства памяти адресов. Полезное сообщение поступа- ет в преобразователь аналог-код, где преобразуется в двоичный код информа- ционной части слова. В формирователе кадра к каждой информационной части слова приписывается адрес и необходимые синхросигналы. С выхода форми- рователя кадра групповой сигнал подается на передатчик. Аппаратура ПУ бу- дет в основном отличаться тем, что вместо коммутатора каналов необходимо будет использовать дешифратор адресов каналов. 65 Устройство памяти адресов Устройство управления Формирователь синхрокода Коммутатор Преобразователь аналог-код Формирователь кадра к ПРД U Д 1 U Д 2 Код адреса Рис. 1.38. Структурная схема КП цифровой системы с кодовым разделением каналов 1.5.4. Структура сигналов в системе, реализующей адресно-кодовый принцип, состоит из времени передачи синхрокода ск t , времени передачи кода адреса ак t , времени передачи кода измерительного сигнала ик t , а в случае, если число каналов в процессе работы будет меняться, то и кода конца кц t (рис. 1.39), т.е. кц ик ак ск t t t N t T + + + = ) ( (1.77) При выборе синхрокода накладываются следующие ограничения: ни од- на из разрешенных адресных и измерительных кодовых комбинаций или про- извольно вырезанные из них два участка даже при наличии искажений не должны являться синхрокодом или вероятность появления такой ситуации должна быть ничтожно мала. Рис. 1.39. Временная структура канальных сигналов в телеметрической системе с кодовым разделением каналов Синхрокод Код адреса Код измерения Код адреса Код измерения Синхрокод Код конца t ск t ак t ик t ик t кц t T t t и t п n си . t T n ак . t T n и . t Т n кц . t Т t Т 66 Число разрядов кода адреса определяется из выражения N E n ак log = , (1.78) где N – число информационных каналов. Все остальные параметры рассчитываются также как и в подразд. 1.5.2. 1.5.5. Спектр кодовых сигналов определяется спектром последователь- ности прямоугольных импульсов и занимает полосу частот, равную и F t = D 1 , где и t – длительность элементарного сигнала. 1.5.6. Выбор кодов. Для передачи дискретных значений измеряемых па- раметров в цифровых системах применяются, как правило, числовые равно- мерные коды. Однако обыкновенные коды непомехоустойчивы. Поэтому с це- лью повышения помехоустойчивости применяются обладающие свойствами обнаружения и исправления избыточные коды, принципы построения которых и кодирующие-декодирующие устройства рассмотрены в [2], а оценка их по- мехоустойчивости – в [1]. Выбор конкретного кода производится в зависимо- сти от типа помех, действующих в канале связи, и от вида искажений кодовых комбинаций. Пример 1.8. По каналу связи, в котором преобладают одиночные ошиб- ки, передается 15 кодовых сообщений. Вероятность искажения кодового эле- мента 3 1 10 - = P . Выбрать метод защиты сообщений, обеспечивающий вероят- ность ошибочного приема: а) менее 5 10 - , б) менее 10 10 - Решение. Определим ош н P для кода с защитой по паритету. При общем числе разрядов n = 4 + 1 = 5 находим 5 3 6 3 1 2 1 2 5 10 999 , 0 10 10 ) 1 ( - - » × × = - = P P C P ош н Находим ош н P для кода с постоянным числом единиц. Принимаем m = 2 в каждой из 15 комбинаций, тогда из 15 2 = n C n = 6. Тогда , 10 4 , 1 ) 999 , 0 10 999 , 0 10 ( 14 ) ) 1 ( ) 1 ( )( 1 ( 5 2 12 4 6 2 1 4 1 4 1 2 1 2 6 - - - × » × + + × = - + - - = P P P P C P ош н вероятность необнаруженной ошибки в коде с повторением при n = 2n 0 =8: 10 4 , 0 999 , 0 10 6 999 , 0 10 4 ) 1 ( ) 1 ( 5 4 12 6 6 4 1 4 1 2 4 6 1 2 1 1 4 - - - × » × × + + × × = - + - = P P C P P C P ош н 67 Такой же вероятностью ошибки оценивается помехоустойчивость корре- ляционного кода. Для кода с повторением и инверсией (инверсного) 10 6 10 999 , 0 10 6 ) 1 ( 12 24 4 12 8 1 4 4 4 1 2 1 2 4 - - - × » + × × = + - = P C P P C P ош н Таким образом, для обеспечения требуемой помехоустойчивости по кри- терию вероятности ошибочного приема для случая «а» следует выбрать защиту кодом с повторением либо корреляционным, а для случая «б» – только кодом с повторением и инверсией. В заключение укажем основные достоинства цифровых телеметрических систем: - прием сигнала сводится не к измерению, а к обнаружению «1» или «0»; - сообщение в цифровой форме легко обрабатываются, запоминаются и коммутируются; - возможность многократной передачи без накопления ошибок; - применение помехоустойчивого кодирования позволяет значительно увеличить достоверность принимаемых сообщений; - высокая точность (ошибка может быть доведена до величины, не пре- вышающей 0,01 %); - при обработке данных ЭВМ отсутствуют ошибки субъективного характера; - упрощаются требования к калибровке системы. Произвольный порядок опроса каналов с кодовым разделением каналов позволяет создать адаптивную телеметрическую систему. |